I en ANAMMOX process är det viktigt att kontrollera tillväxten av både ammoniumoxiderande bakterier (AOB) och nitritoxiderande bakterier (NOB) för att undvika för höga nitrithalter i reaktorn och för att undvika nitrifikation. Artikeln beskriver ett sätt hur detta kan göras i en UASB-reaktor genom att minska den hydrauliska uppehållstiden.
Av: Bengt Andersson
På senare tid har flera nya och framträdande processer för kväveavskiljning utvecklats och snabbt fått en tämligen omfattande användning. Exempel på sådana processer är SHARON, CANON, OLAND och ANAMMOX, vilka alla drivs vid låga syrehalter och utan behov av organiskt kol. ANAMMOX står för anaerob ammoniumoxidation, där ammonium oxideras direkt till kvävgas med nitrit som elektronacceptor. Omkring 10 % av inkommande kväve omvandlas till nitrat i processen.
ANAMMOX processen bygger på nitritation, där ammoniumoxiderande bakterier (AOB) omvandlar ammonium till nitrit och där det är kritiskt för processen är att kontrollera nitrithalten så att inte processen hämmas på grund av för höga halter. Vidare måste andelen nitritoxiderande bakterier (NOB) begränsas för att undvika nitrifikation och konkurrens om ammonium. Nitrifikation kan snabbt etableras i en reaktor beroende på en högre maximal tillväxthastighet för AOB och NOB (0,77 resp. 1,08 d-1) jämfört med tillväxthastigheten för ANAMMOX bakterierna (0,065 d-1). Därför kan en kort hydraulisk uppehållstid vara ett intressant alternativ för att främja betingelserna för ANAMMOX bakterierna genom en möjlig utspolning av AOB och NOB.
Flera olika typer av reaktorer finns för ANAMMOX processen. Uppflödesreaktorer (UASB) har visat en hög kväveavskiljningskapacitet, bra slamegenskaper och lägre driftkostnader än andra alternativ.
Syftet med refererad artikel var att studera ANAMMOX processen i en UASB reaktor med kort uppehållstid och hög kvävebelastning med fokus på uppstart av processen och på en hög avskiljningshastighet.
Genomförande av försöket
Försöket utfördes i en laboratoriereaktor för UASB som ympats med biomassa från en pilotanläggning. Reaktorn beskickades med ett syntetiskt avloppsvatten med kvävehalter mellan 100 och 200 mg N/l, varav hälften var ammonium och hälften nitrit. Den hydrauliska uppehållstiden vid uppstart minskades successivt från 2 till 0,5 timmar. Temperaturen i reaktor hölls vid 35 oC.
Efter att reaktorn uppnått en stabil drift genomfördes successiva belastningsökningar. Uppehållstiden minskades då summan av ammonium- och nitrithalterna var stabilt lägre än 30 mg N/l.
Prov från inkommande till och utgående vatten från reaktorn togs för analys av kvävefraktioner, pH och löst syre. Karakterisering av biomassan gjordes med FISH för bestämning av ANAMMOX, AOB och NOB.
Resultat
I början av uppstartsfasen var den hydrauliska uppehållstiden 2 timmar. Inledningsvis erhölls en oönskad nitrifikation där nästan 50 % av inkommande kväve överfördes till nitrat. Så var fallet även då syrehalten minskades till under 0,5 mg/l. För att minska konkurrensen mellan nitrifikation och ANAMMOX minskades den hydrauliska uppehållstiden till 1 timme efter 36 dygns drift. Nitrifikationen minskade partiellt genom utspolning av nitrifierare. Dock återkom NOB efter en tid och nitrathalten ökade åter.
Den hydrauliska uppehållstiden minskades därefter till 0,5 timmar, vilket medförde att nitratproduktionen minskade efter knappt två veckor och att reaktorns funktion förändrades. Efter totalt 60 dygn hade en stabil drift uppnåtts med en stabil rimlig nitrathalt och mycket låga halter av ammonium och nitrit i utgående vatten från reaktorn. Beräknade stökiometriska koefficienter stämde väl överens med den kemiska jämviktsekvationen och bekräftade att ANAMMOX processen fungerade i reaktorn i slutet av uppstartsfasen. FISH analysen visade också att ANAMMOX bakterier fanns som kompakta mikrokolonier, vilket är karakteristiskt för dessa mikroorganismer.
Efter uppstartsfasen genomfördes belastningsökningar, där första steget under cirka 30 dygn var att öka koncentrationen av kväve i inkommande vatten från 100 till 200 mg N/l. Inga negativa effekter erhölls och ANAMMOX processen var stabil. Reaktorn drevs med en hydraulisk uppehållstid av 0,5 timmar, med en belastning av 9,6 g N/l/d och med en avskiljningshastighet av 8,3 g N/l/d.
Den hydrauliska uppehållstiden minskades ytterligare först i ett steg till 0,4 timmar under cirka 20 dygn, vilket gav en avskiljningshastighet av 9,7 g N/l/d utan negativ påverkan, och därefter till 0,3 timmar under drygt 50 dygn, vilket gav en avskiljningshastighet av 12,6 g N/l/d. Vid den sista belastningsperioden var adapteringstiden för ANAMMOX bakterierna något längre och en tillfällig ökning av ammonium och nitrit erhölls under några dygn innan stabila förhållanden åter uppnåddes.
En ytterligare minskning av uppehållstiden till 0,2 timmar under 20 dygn genomfördes med en avskiljningshastighet av 18,3 g N/l/d, med låg nitrathalt och med något högre nitrithalt än under föregående perioder. Ingen utspolning av ANAMMOX bakterier konstaterades ens vid den högre hydrauliska belastningen (0, 2 timmars hydraulisk uppehållstid).
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Kontroll av nitrifikationen genom utspolning av biomassa genom en ökad hydraulisk belastning befanns vara en effektiv strategi för uppstart av en ANAMMOX process i en UASB-reaktor. Nitrifikationsprocessen är känslig för en sådan strategi sannolikt beroende på skillnaderna i fysikaliska egenskaper mellan nitrifierare och ANAMMOX bakterier.
- ANAMMOX reaktorn uppnådde den högsta avskiljningshastigheten 18,3 g N/l/d efter 120 dygns drift vid en belastning av 24 g N/l/d och en hydraulisk uppehållstid av 0,2 timmar.
Källa: C.G. Casagrande, A. Kuntz, M.C. De Prá, C.R. Bressan, H.M. Soares. High nitrogen removal rate using ANAMMOX process at short hydraulic retention time. Water Science & Technology 67 (2013) pp 968 – 975.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
